Eine künstlerische Darstellung des rekordverdächtigen, am schnellsten fressenden Schwarzen Lochs im frühen Universum im Zentrum seiner jungen Galaxie (Bildnachweis: NOIRLab/NSF/AURA/J. da Silva/M. Zamani)
Das hungrigste bekannte Schwarze Loch im frühen Universum wurde dank der Zusammenarbeit zwischen dem James Webb Space Telescope (JWST) der NASA und dem Chandra X-ray Observatory gefunden.
Der unersättliche Appetit des Schwarzen Lochs, der es ihm ermöglicht hat, in nur 12 Millionen Jahren mehr als sieben Millionen Sonnenmassen anzuhäufen, übersteigt die theoretische maximale Wachstumsrate und trägt dazu bei, zu erklären, wie Schwarze Löcher im frühen Universum so schnell so massiv werden konnten.
„Dieses Schwarze Loch feiert ein Festmahl“, sagte Julia Scharwächter, Mitautorin der Studie vom Internationalen Gemini Observatorium, in einer Erklärung.
Das Problem der Masse der frühen Schwarzen Löcher beschäftigt die Astronomen schon seit Jahren. Das JWST und zuvor das Hubble-Weltraumteleskop haben Galaxien entdeckt, die schwarze Löcher mit Hunderten Millionen und manchmal sogar Milliarden von Sonnenmassen im frühen Universum enthalten. Wie sich diese schwarzen Löcher bildeten und so schnell so massiv wurden, war jedoch bisher ungeklärt. Dank JWST und Chandra haben wir nun eines dieser schwarzen Löcher beim Wachsen beobachtet.
Das Schwarze Loch – katalogisiert als LID-568, das wir so sehen, wie es nur 1,5 Milliarden Jahre nach dem Urknall existierte – wurde erstmals in einer Chandra-Durchmusterung leuchtender, Röntgenstrahlen emittierender Objekte im fernen Universum entdeckt. Röntgenstrahlen sind ein Nebenprodukt von Gas, das durch die Schwerkraft auf ein Schwarzes Loch gezogen wird. Wenn dieses Gas nicht auf einmal verschluckt werden kann, bündelt es sich in einer Scheibe, die heiß genug wird, um Röntgenstrahlen zu emittieren. Je schneller die Akkretionsrate ist, desto höher ist die Energie der Röntgenstrahlen.
Es soll jedoch eine theoretische Grenze für die Menge geben, die ein Schwarzes Loch zu einem bestimmten Zeitpunkt verbrauchen kann. Sie wird nach dem britischen Astrophysiker Sir Arthur Eddington Eddington als Eddington-Grenze bezeichnet und beschreibt ein Gleichgewicht zwischen der Rate des Materieeinfalls in ein Schwarzes Loch und der Menge an Strahlung (einschließlich Röntgenstrahlung), die durch den Einfall erzeugt wird und dann auf die akkretierende Materie zurückwirkt. Wir nennen diesen Prozess Rückkopplung, und oberhalb einer bestimmten Akkretionsrate wird die Rückkopplung so groß, dass sie die Akkretion zum Erliegen bringt. Dies ist das Eddington-Limit.
Als Astronomen unter der Leitung von Hyewon Suh vom International Gemini Observatory LID-568 mit dem JWST-Instrument Integral Field Spectrograph weiterverfolgten, konnten sie Ausströmungen aus dem Schwarzen Loch messen, die sich mit 500 bis 600 Kilometern pro Sekunde bewegen. In Verbindung mit der Röntgenstrahlung, die viel heller ist, als wir es für ein akkretierendes Schwarzes Loch in einem so frühen Stadium der kosmischen Geschichte erwarten würden, ist dieses Ausmaß der Rückkopplung 40-mal größer als das Eddington-Limit.
Bricht dieses schwarze Loch also die Gesetze der Physik?
Nicht unbedingt. Eine solche „Super-Eddington“-Akkumulation kann für eine kurze Zeit aufrechterhalten werden, bevor die Rückkopplung die Nahrung des Schwarzen Lochs wegbläst, und in der Tat wurde die Super-Eddington-Akkumulation schon früher beobachtet und sogar als Mechanismus vorgeschlagen, durch den supermassereiche Schwarze Löcher so schnell so massiv werden. LID-568 ist jedoch das beste und deutlichste Beispiel, das bisher gefunden wurde.
„Dieser extreme Fall zeigt, dass ein Mechanismus der schnellen Akkretion oberhalb der Eddington-Grenze eine der möglichen Erklärungen dafür ist, warum wir diese sehr schweren Schwarzen Löcher so früh im Universum sehen“, sagt Scharwächter.
Das Schwarze Loch hätte sein Leben ursprünglich als „Samen“ begonnen. Theoretisch könnten diese Keime durch verschiedene Mechanismen entstehen, z. B. durch massereiche Sterne, die beim Absterben Schwarze Löcher mit stellarer Masse zurücklassen (dies wären „leichte“ Keime), oder durch den direkten Gravitationskollaps einer massereichen Gaswolke, der ein Schwarzes Loch mit einer mittleren Masse von etwa tausend Sonnenmassen entstehen lässt (dies wären „schwere“ Keime). Die Modellierung des Teams von Suh und Scharwächter ergab, dass LID-568 wahrscheinlich als „leichtes“ Schwarzes Loch mit einer Masse von 100 Sonnenmassen begann und diese Episode der Akkretion 12 Millionen Jahre früher einsetzte, während es sich im Zentrum einer riesigen molekularen Gaswolke befand, die das Schwarze Loch vollständig verschlang.
„Die Entdeckung eines Super-Eddington akkretierenden Schwarzen Lochs deutet darauf hin, dass ein erheblicher Teil des Massenzuwachses während einer einzigen Episode schneller Fütterung stattfinden kann, unabhängig davon, ob das Schwarze Loch aus einem leichten oder schweren Keim entstanden ist“, sagte Suh.
Dieser eine schnelle Akkretionsschub wird nicht ewig andauern; die Eddington-Grenze wird sich schließlich durchsetzen. Gegenwärtig hat LID-568 die 7,2 Millionenfache Masse der Sonne, verglichen mit der 4,1 Millionen Sonnenmassen großen Masse von Sagittarius A*, dem schwarzen Loch im Zentrum unserer Milchstraßengalaxie. Die Super-Eddington-Akkretion kann jedoch episodisch sein – das erhitzte Gas, das weggeblasen wurde, könnte abkühlen und allmählich auf das Schwarze Loch zurückfallen. LID-568 ist vielleicht gerade mit dem Abendessen fertig, aber der Nachtisch könnte gleich um die Ecke kommen.
Die neue Studie wurde am Montag (4. November) online in der Zeitschrift Nature Astronomy veröffentlicht.
